книги / Специальные методы электрических измерений

в некоторой -степени, появлению высших гармоник. Пре­ дел измерения этого прибора 5 в.

1В более совершенной лабораторной модели компен­ сатора с трехфазным индукционным фазорегулятором имеется четыре регули­ руемых сопротивления:

одн-о простое с .передвиж­ ным рычагом, две двой­ ные декады и реохорд.

0,1% при практически -синусоидальном напряжении. По­ грешность в измерении углов около 2 % для малых углов (порядка 1—2°) и около 0,5—1,0% для больших углов.

Фазорегулятор в рассмотренных приборах — трех­ фазный, что, конечно, в известной степени неудобно, так как требует наличия трехфазной сети: очевидно, что асим­ метрия питающего напряжения искажает вращающееся поле, вызывая тем самым дополнительную погрешность. С другой стороны, работа таких устройств не зависит от частоты. Можно построить аналогичный прибор, при­

помощи емкости и сопротивления. Очевидно, чго работа этого регулятора зависит от частоты. Пример полярнокоординатного компенсатора с однофазным фазорегуля­ тором изображен на рис. 8-2. Компенсирующее сопротив-

ленне этого компенсатора состоит из одной шунтирую­ щей декады и (реохорда. Установка рабочего тока (50 ма) производится при помощи амперметра, регули­ ровка его осуществляется посредством предусмотренно­ го в самом приборе регулировочного сопротивления. В компенсаторе имеется шунтирующее приспособление, позволяющее изменять .величину рабочего тока, а следо­ вательно, предел измерения прибора (1,81'Б и 0,181 в). Погрешность прибора около 0,'2%*.

Пример прибора с параметрическим (схемным) фа­ зорегулятором изображен на рис. 8-3. Прибор специ­ ально разработан для измерения полных сопротивлений, в силу чего вообще не имеет никаких приспособлений для регулирования величины тока, общего для компенса­ тора и испытуемого объекта. Используемая в данном случае схема фазорегулятора не дает изменения фазы на 180°; поэтому в приборе предусмотрен трехполюсный переключатель, производящий необходимые пересоединения в цепи фазорегулятора. Кроме этого, второй двух­ полюсный переключатель в цепи измеряемого напряже­ ния меняет направление тока на обратное, расширяя тем самым предел изменения фазы до 360°. Погрешность в определении сопротивления довольно велика, доходя до 0,5—0,7%. Окончательные расчетные формулы до­ вольно сложны.

Метод параметрического (схемного) регулирования фазы использован и в другом лабораторном образце — в полярно-координатном компенсаторе, предназначенном для магнитных испытаний. Своеобразной особенностью компенсатора является то, что угол сдвига фаз у него не вычисляется по параметрам схемы, а непосредствен­ но измеряется при помощи особым образом включенно­ го ваттметра.

Существенным ‘недостатком компенсаторов с индук­ ционным регулятором является невысокая точность от­ счета фазы (отсчет осуществляется по лимбу, которым снабжен фазорегулятор). Эта точность не превышает 0,5— 1 град, что в 'ряде случаев недостаточно. Причина такого положения заключается в трудностях изготовле­ ния фазорегуляторов с точно круговым вращающимся полем и обеспечения строгой симметрии обмоток статора, а та^же постоянства по всей окружности воздушного за­ зора и пр.

Что же касается компенсаторов с параметрическим (схемным) фазорегулятором, то им наряду с недостаточ­ ной точностью -отсчета фазы свойственна и невысокая точность в определении модуля. В силу изложенных причин полярно-координатные компенсаторы в настоя­ щее время отечественной промышленностью не выпус­ каются.

Перейдем теперь к рассмотрению прямоугольно-ко­ ординатных компенсаторов. Из них (да, пожалуй, и во­

Рис. 8-4.

нием фазы при помощи -воздушного трансформатора или катушки взаимной индуктивности без стального сердеч­ ника. Идея прибора заключается в следующем: два напряжения, сдвинутых по фазе друг относительно дру­ га на 90°, поданы на два реохорда, середины которых электрически соединены. Между движками реохордов включаются указатель и измеряемое напряжение. Таким образом, середины реохордов являются началом коорди­ нат для топографической диаграммы рис. 8-4. Очевидно, что когда оба движка стоят на серединах соответствую­ щих реохордов, напряжение между ними равно нулю. Если затем, оставив один движок на месте, начать пере­ двигать второй, между движками возникает напряже­ ние, находящееся в фазе с тем, которое питает ‘реохорд при перемещении движка в одну сторону, и сдвинутое на 180° — при движении в другую сторону. Подобная же картина будет происходить, если движки поменяются ролями, с той разницей, что основное напряжение, пи­ тающее второй реохорд, сдвинуто по отношению к .пер­ вому на 90р. Таким образом, действуя только одним

движком (второй остается на середине реохорда), мы как бы двигаемся по осям топографической диаграммы в положительную и отрицательную стороны.

Допустим теперь, что оба движка сдвинуты с сере­ дины реохордов. Очевидно, что в этом случае в указа­ тельной цепи будут действовать два напряжения, .про­ порциональных перемещениям движков от середины и при этом сдвинутых друг относительно друга на 90°. В результате возникнет суммарное напряжение, величи­ на которого равна геометрической сумме составляющих.

При этом заметим, что если оба движка сдвинуты в одну сторону, результирующий вектор будет лежать в одном квадранте, допустим в первом. Если же они бу­ дут сдвинуты оба в противоположную сторону, резуль­ тирующий вектор изменит фазу на 180° и окажется в третьем квадранте. Второму и четвертому квадрантам будет сответствовать, очевидно, перемещение движков в разные от их средних (нулевых) точек стороны.

Несомненно, что какие-то точки реохордов должны быть электрически соединены, так как в противном слу­ чае указательная цепь окажется разомкнутой. Но легко видеть, что если бы были соединены не середины, а кон­ цы реохордов, то все перемещения результирующего век­ тора ограничились бы углом 90° в том или ином (в за­ висимости от соединенных точек) квадранте. Именно то,, что на первый взгляд может показаться несущественной деталью — соединение середин обоих реохордов, дает нам возможность необычайно просто без всяких переклю­ чений получить компенсирующий вектор любой величи­ ны (конечно, не выше пределов измерения) и фазы.

(Принципиальная схема подобного прямоугольнокоординатного 'компенсатора изображена на рис. 8-5. Обозначения на схеме соответствуют таковым на топо­ графической диаграмме рис. 8-4. -Падение напряжения в реохорде аЬ находится практически в фазе (синфазно) с питающим его током. Второй реохорд ей включен че­ рез специально сконструированный воздушный транс­ форматор М, который обеспечивает квадратуру (сдвиг на 90°) между напряжениями на реохордах. Рабочий ток устанавливается при помощи амперметра одновре­ менно в обоих реохордах. Так как вторичная э. д. с. воз­

ны два примера практических це­ пей прямоугольно-координатных компенсаторов, пред­

назначенных для работы в звуковом диапазоне ча­ стот. Как видно из рисунков, в обоих случаях принцип получения двух находящихся в квадратуре компенси­ рующих напряжений различен и отличается от рассмот­ ренного выше. В компенсаторе по схеме рис. 8-6, одна из ветвей которого состоит из активного сопротивления и индуктивности, а вторая — из активного сопротивления и емкости, условием 90-градусного сдвига фаз токов Л 2*

/2 .в ветвях/и II является соотношение Я1=Я2 =Я = ^/Г^>

где Я\ и Я2— активные сопротивления ветвей / и //. Вследствие симметрии левой и правой половин каждой ветви разность потенциалов между серединами реохор­ дов (точки 0 1 и 0 2) равна нулю. Таким образом, обес­ печивается возможность компенсации измеряемого на­ пряжения в любом из четырех квадрантов координатной

плоскости. .При выполнении условия о)= -^ц - токи

в обеих ветвях по величине равны друг другу. Такие компенсаторы применяются при измерениях в установ­ ках проводной связи.

Недостатком этой схемы является то, что для отсче­ та составляющих измеряемого напряжения необходимо точно знать, кроме параметров схемы, также частоту переменного тока. Кроме того, изменение частоты приво­ дит к изменению токов в ветвях, а следовательно, и к изменению градуировки реохордов в вольтах.

Компенсатор по схеме рис. 8-7, использующийся на частотах от 500 до 5 000 гц, отличается тем положитель­ ным качеством, что вследствие отсутствия электрической связи между цепями компенсатора и измеряемого объ­ екта влияние емкостных токов на результат измерения ничтожно мало. 90-градусный фазовый сдвиг между то­ ками в первичных обмотках двух применяемых катушек взаимной индуктивности, а следовательно, и такой же сдвиг фаз э. д. с., индуктируемых во вторичных обмот­ ках, т. е. в компенсирующей цепи, обеспечивается путем включения первичных обмоток в две питаемые от одно­ го источника параллельные ветви последовательно с индуктивностью 7, и соответственно активным сопро­ тивлением К и емкостью С. Величина и знак индукти­ руемых э. д. с. Е\ и Еч зависят от угла поворота вторич­ ных обмоток относительно первичных. Таким образом, напряжение 1!х также может быть уравновешено в лю­ бом из четырех квадрантов координатной плоскости,

Недостатком данного устройства, равно как и других компенсаторов, использующих катушки взаимной индук­ тивности, является то, что должны быть приняты специ­ альные меры для устранения влияния 'внешних магнит­ ных полей, которые в некоторых случаях могут заметно исказить результат измерения.

В основу современных отечественных промышленных разработок компенсаторов переменного тока положена прямоугольно-координатная схема с одной катушкой взаимной индуктивности, как наиболее удобная и прин­ ципиально позволяющая обеспечить минимальные по­ грешности компенсаторов. К рассмотрению современно­ го промышленного образца компенсатора переменного тока мы и перейдем.

На рис. 8-8 приведена принципиальная схема прямо­ угольно-координатного компенсатора Р-56, выпускаемо­ го киевским заводом «Точэлектроприбор». Девиносто­ градусный сдвиг токов /1 и /2 в двух компенсационных цепях прибора достигается, как и в схеме рис. 8-5, с по­ мощью воздушного трансформатора М. Рабочий ток ком­ пенсатора / равен 0,5 а\ он устанавливается по электро­

динамическому амперметру А класса точности 0,2, вхо­ дящему в комплект устройства. Первая компенсацион­ ная цепь состоит из первичной обмотки воздушного трансформатора М и активного сопротивления /?. Паде­ ние напряжения на активном сопротивлении подается на реохорд сопротивлением в 1 ом и последовательно с ним соединенную декаду с 15 катушками, имеющими сопро­ тивление в 1 ом каждая. 1Во вторую (квадратурную) компенсационную цепь, помимо вторичной обмотки воз­ душного трансформатора М, реохорда сопротивлением в 10 ом и декады с 15 сопротивлениями по 10 ом, входит магазин /?/, служащий для поддержания постоянства

тока /2 Л(рн частотах от 40 до 60 гц, а также сопротив­ ления Я' и Я" и емкость С; последние введены для ком­ пенсации неточности квадратуры. Указателем равнове­ сия служит вибрационный гальванометр типа ВГ.

Параметры цепей компенсатора обеспечивают паде­ ние напряжения на каждой секции декад и на .полной длине реохорда, равное 0,1 в; таким образом, .верхний предел измерения компенсатора по каждой из осей со­ ставляет 1,6 в. В компенсаторе предусмотрена возмож­ ность уменьшения предела измерения (независимо по каждой из осей) .в 10 раз; для этой цели служат пере­ ключатели П\ и /72, шунтирующие сопротивления Яш1 и Ят2 и добавочные сопротивления /?Д1 и /?д2 (назначение последних — сохранить, неизменным входное сопротивле­ ние цепи при шунтировании).

Цена наименьшего деления 0,001 в при пределе изме­ рения 1,6 я и 0,0001 в — при пределе измерения 0,16 в.

Переключатели П \ и Я '2 обеспечивают возможность изменения полярности каждой из составляющих вектора компенсирующего напряжения; поэтому компенсатор позволяет уравновесить напряжение, находящееся в лю­ бом из четырех квадрантов координатной плоскости в пределах 360 электрических градусов. Переключатели П\" и Яг7' дают возможность отключать одну из цепей компенсатора без разрыва цепи компенсирующего на­ пряжения; это позволяет производить раздельное урав­ новешивание и измерение напряжений, если они совпа­ дают по фазе с той или иной координатной осью, или,, наоборот, отрегулировать начальную фазу рабочего то­

можность пооочередного уравновешивания двух изме­ ряемых напряжений для их сопоставления. Зажимы /—/' предназначены для присоединения наружного до­ бавочного активного сопротивления в случае, если тре­ буется увеличить верхний частотный предел компенса­ тора свыше 60 гц; обычно же эти зажимы должны быть замкнуты накоротко.

Для расширения пределов измерения компенсатора по напряжению он комплектуется делителем напряже­ ния Р-501 на пределы: 3; 7,5; 15; 30; 75; 150; 300 в. Уста­ новка рабочего тока производится по прибору класса 0,2 (миллиамперметр типа ЭЛМА на 500—1 000 ма).

8-3. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Из изложенного в § 8-2 ясно, что при помощи компен­ сационного метода возможно определить интересующее нас переменное напряжение то величине и фазе. При этом надо помнить, что отсчет фазы требует для своей определенности установления начального вектора, от которого производится отсчет. Часто за такой вектор

случаях при помощи вспомогательного фазорегулятора устанавливают фазу питающего тока совпадающей с фа­ зой какого-либо иного вектора напряжения (или тока), что иногда бывает удобнее (например, при необходимо­ сти получить векторную диаграмму сложной цепи).

Наряду с этим основным своим назначением компен­ саторы переменного тока, как и компенсаторы постоян­ ного тока, могут быть применены также и для -измере­ ния тока и сопротивления. Все указания, приводившиеся ранее (см. § 7-1 и 7-4) в применении к компенсато!рам постоянного тока, в основном справедливы и в данном случае. В частности, для расширения пределов измере­ ния компенсаторов попользуются делители напряжения; измерение токов производится путем определения паде­ ния напряжения на некотором известном сопротивлении, по которому преходит измеряемый ток; измерение со­ противления производится по методу сравнения падений напряжения на измеряемом и образцовом сопротивле­ ниях; остаются в силе и соображения по вопросу выбо­ ра значений величин образцовых сопротивлений. Вместе с тем переменный ток вносит и свою особую специфику. Так, например, делители напряжения должны быть безреактивными; в то же время возможно применение емко­ стных делителей (особенно на повышенных частотах). Для измерений токов необходимо применять безреактивные образцовые катушки.

В связи с тем, что компенсатор переменного тока позволяет судить не только о величине измеряемого на­ пряжения, но и о его фазе по отношению к начальному вектору (часто — вектору питающего тока), значительно расширяется и круг задач, решаемых с помощью ком­ пенсатора. Векторные свойства компенсатора дают возможность находить любые составляющие пере-